TED日本語 - リー・クローニン: 物質に生命を吹き込む

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TED日本語 - リー・クローニン: 物質に生命を吹き込む

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物質に生命を吹き込む
Making matter come alive
リー・クローニン
Lee Cronin

内容

生命が誕生する前に地球上にあったものは、無機質の死んだ「物質」だけでした。生命の誕生する可能性は、いかにはかないものだったのでしょうか?そして、生命の誕生には、未知の化学反応が作用したのでしょうか?化学者であるリー・クローニン氏は、いかなる物質も進化することができるという、生命についての素晴らしい定義を打ち出し、炭素を含まない無機分子の「レゴブロック・キット」を組み立て、増殖させ、競争させつつ、完全に無機的な細胞を作ることで、これらの疑問に答えようとしています。

Script

What I'm going to try and do in the next 15 minutes or so is tell you about an idea of how we're going to make matter come alive. Now this may seem a bit ambitious, but when you look at yourself, you look at your hands, you realize that you're alive. So this is a start. Now this quest started four billion years ago on planet Earth. There's been four billion years of organic, biological life. And as an inorganic chemist, my friends and colleagues make this distinction between the organic, living world and the inorganic, dead world. And what I'm going to try and do is plant some ideas about how we can transform inorganic, dead matter into living matter, into inorganic biology.

Before we do that, I want to kind of put biology in its place. And I'm absolutely enthralled by biology. I love to do synthetic biology. I love things that are alive. I love manipulating the infrastructure of biology. But within that infrastructure, we have to remember that the driving force of biology is really coming from evolution. And evolution, although it was established well over 100 years ago by Charles Darwin and a vast number of other people, evolution still is a little bit intangible. And when I talk about Darwinian evolution, I mean one thing and one thing only, and that is survival of the fittest. And so forget about evolution in a kind of metaphysical way. Think about evolution in terms of offspring competing, and some winning.

So bearing that in mind, as a chemist, I wanted to ask myself the question frustrated by biology: What is the minimal unit of matter that can undergo Darwinian evolution? And this seems quite a profound question. And as a chemist, we're not used to profound questions every day. So when I thought about it, then suddenly I realized that biology gave us the answer. And in fact, the smallest unit of matter that can evolve independently is, in fact, a single cell -- a bacteria.

So this raises three really important questions: What is life? Is biology special? Biologists seem to think so. Is matter evolvable? Now if we answer those questions in reverse order, the third question -- is matter evolvable? -- if we can answer that, then we're going to know how special biology is, and maybe, just maybe, we'll have some idea of what life really is.

So here's some inorganic life. This is a dead crystal, and I'm going to do something to it, and it's going to become alive. And you can see, it's kind of pollinating, germinating, growing. This is an inorganic tube. And all these crystals here under the microscope were dead a few minutes ago, and they look alive. Of course, they're not alive. It's a chemistry experiment where I've made a crystal garden. But when I saw this, I was really fascinated, because it seemed lifelike. And as I pause for a few seconds, have a look at the screen. You can see there's architecture growing, filling the void. And this is dead. So I was positive that, if somehow we can make things mimic life, let's go one step further. Let's see if we can actually make life.

But there's a problem, because up until maybe a decade ago, we were told that life was impossible and that we were the most incredible miracle in the universe. In fact, we were the only people in the universe. Now, that's a bit boring. So as a chemist, I wanted to say, "Hang on. What is going on here? Is life that improbable?" And this is really the question. I think that perhaps the emergence of the first cells was as probable as the emergence of the stars. And in fact, let's take that one step further. Let's say that if the physics of fusion is encoded into the universe, maybe the physics of life is as well. And so the problem with chemists -- and this is a massive advantage as well -- is we like to focus on our elements. In biology, carbon takes center stage. And in a universe where carbon exists and organic biology, then we have all this wonderful diversity of life. In fact, we have such amazing lifeforms that we can manipulate. We're awfully careful in the lab to try and avoid various biohazards.

Well what about matter? If we can make matter alive, would we have a matterhazard? So think, this is a serious question. If your pen could replicate, that would be a bit of a problem. So we have to think differently if we're going to make stuff come alive. And we also have to be aware of the issues. But before we can make life, let's think for a second what life really is characterized by. And forgive the complicated diagram. This is just a collection of pathways in the cell. And the cell is obviously for us a fascinating thing. Synthetic biologists are manipulating it. Chemists are trying to study the molecules to look at disease. And you have all these pathways going on at the same time. You have regulation; information is transcribed; catalysts are made; stuff is happening. But what does a cell do? Well it divides, it competes, it survives. And I think that is where we have to start in terms of thinking about building from our ideas in life.

But what else is life characterized by? Well, I like think of it as a flame in a bottle. And so what we have here is a description of single cells replicating, metabolizing, burning through chemistries. And so we have to understand that if we're going to make artificial life or understand the origin of life, we need to power it somehow. So before we can really start to make life, we have to really think about where it came from. And Darwin himself mused in a letter to a colleague that he thought that life probably emerged in some warm little pond somewhere -- maybe not in Scotland, maybe in Africa, maybe somewhere else. But the real honest answer is, we just don't know, because there is a problem with the origin. Imagine way back,four and a half billion years ago, there is a vast chemical soup of stuff. And from this stuff we came.

So when you think about the improbable nature of what I'm going to tell you in the next few minutes, just remember, we came from stuff on planet Earth. And we went through a variety of worlds. The RNA people would talk about the RNA world. We somehow got to proteins and DNA. We then got to the last ancestor. Evolution kicked in -- and that's the cool bit. And here we are. But there's a roadblock that you can't get past. You can decode the genome, you can look back, you can link us all together by a mitochondrial DNA, but we can't get further than the last ancestor, the last visible cell that we could sequence or think back in history. So we don't know how we got here.

So there are two options: intelligent design, direct and indirect -- so God, or my friend. Now talking about E.T. putting us there, or some other life, just pushes the problem further on. I'm not a politician, I'm a scientist. The other thing we need to think about is the emergence of chemical complexity. This seems most likely. So we have some kind of primordial soup. And this one happens to be a good source of all 20 amino acids. And somehow these amino acids are combined, and life begins. But life begins, what does that mean? What is life? What is this stuff of life?

So in the 1950s, Miller-Urey did their fantastic chemical Frankenstein experiment, where they did the equivalent in the chemical world. They took the basic ingredients, put them in a single jar and ignited them and put a lot of voltage through. And they had a look at what was in the soup, and they found amino acids, but nothing came out, there was no cell. So the whole area's been stuck for a while, and it got reignited in the '80s when analytical technologies and computer technologies were coming on.

In my own laboratory, the way we're trying to create inorganic life is by using many different reaction formats. So what we're trying to do is do reactions -- not in one flask, but in tens of flasks, and connect them together, as you can see with this flow system, all these pipes. We can do it microfluidically, we can do it lithographically, we can do it in a 3D printer, we can do it in droplets for colleagues. And the key thing is to have lots of complex chemistry just bubbling away. But that's probably going to end in failure, so we need to be a bit more focused.

And the answer, of course, lies with mice. This is how I remember what I need as a chemist. I say, "Well I want molecules." But I need a metabolism, I need some energy. I need some information, and I need a container. Because if I want evolution, I need containers to compete. So if you have a container, it's like getting in your car. "This is my car, and I'm going to drive around and show off my car." And I imagine you have a similar thing in cellular biology with the emergence of life. So these things together give us evolution, perhaps. And the way to test it in the laboratory is to make it minimal.

So what we're going to try and do is come up with an inorganic Lego kit of molecules. And so forgive the molecules on the screen, but these are a very simple kit. There's only maybe three or four different types of building blocks present. And we can aggregate them together and make literally thousands and thousands of really big nano-molecular molecules the same size of DNA and proteins, but there's no carbon in sight. Carbon is banned. And so with this Lego kit, we have the diversity required for complex information storage without DNA. But we need to make some containers. And just a few months ago in my lab, we were able to take these very same molecules and make cells with them. And you can see on the screen a cell being made. And we're now going to put some chemistry inside and do some chemistry in this cell. And all I wanted to show you is we can set up molecules in membranes, in real cells, and then it sets up a kind of molecular Darwinism, a molecular survival of the fittest.

And this movie here shows this competition between molecules. Molecules are competing for stuff. They're all made of the same stuff, but they want their shape to win. They want their shape to persist. And that is the key. If we can somehow encourage these molecules to talk to each other and make the right shapes and compete, they will start to form cells that will replicate and compete. If we manage to do that, forget the molecular detail.

Let's zoom out to what that could mean. So we have this special theory of evolution that applies only to organic biology, to us. If we could get evolution into the material world, then I propose we should have a general theory of evolution. And that's really worth thinking about. Does evolution control the sophistication of matter in the universe? Is there some driving force through evolution that allows matter to compete? So that means we could then start to develop different platforms for exploring this evolution. So you imagine, if we're able to create a self-sustaining artificial life form, not only will this tell us about the origin of life -- that it's possible that the universe doesn't need carbon to be alive; it can use anything -- we can then take [ it ] one step further and develop new technologies, because we can then use software control for evolution to code in.

So imagine we make a little cell. We want to put it out in the environment, and we want it to be powered by the Sun. What we do is we evolve it in a box with a light on. And we don't use design anymore. We find what works. We should take our inspiration from biology. Biology doesn't care about the design unless it works. So this will reorganize the way we design things. But not only just that, we will start to think about how we can start to develop a symbiotic relationship with biology. Wouldn't it be great if you could take these artificial biological cells and fuse them with biological ones to correct problems that we couldn't really deal with? The real issue in cellular biology is we are never going to understand everything, because it's a multidimensional problem put there by evolution. Evolution can not be cut apart. You need to somehow find the fitness function. And the profound realization for me is that, if this works, the concept of the selfish gene gets kicked up a level, and we really start talking about selfish matter.

And what does that mean in a universe where we are right now the highest form of stuff? You're sitting on chairs. They're inanimate, they're not alive. But you are made of stuff, and you are using stuff, and you enslave stuff. So using evolution in biology, and in inorganic biology, for me is quite appealing, quite exciting. And we're really becoming very close to understanding the key steps that makes dead stuff come alive. And again, when you're thinking about how improbable this is, remember,five billion years ago, we were not here, and there was no life. So what will that tell us

about the origin of life and the meaning of life? But perhaps, for me as a chemist, I want to keep away from general terms; I want to think about specifics. So what does it mean about defining life? We really struggle to do this. And I think, if we can make inorganic biology, and we can make matter become evolvable, that will in fact define life. I propose to you that matter that can evolve is alive, and this gives us the idea of making evolvable matter.

Thank you very much.

(Applause)

Chris Anderson: Just a quick question on timeline. You believe you're going to be successful in this project? When?

Lee Cronin: So many people think that life took millions of years to kick in. We're proposing to do it in just a few hours, once we've set up the right chemistry.

CA: And when do you think that will happen?

LC: Hopefully within the next two years.

CA: That would be a big story. (Laughter) In your own mind, what do you believe the chances are that walking around on some other planet is non-carbon-based life, walking or oozing or something?

LC: I think it's 100 percent. Because the thing is, we are so chauvinistic to biology, if you take away carbon, there's other things that can happen. So the other thing that if we were able to create life that's not based on carbon, maybe we can tell NASA what really to look for. Don't go and look for carbon, go and look for evolvable stuff.

CA: Lee Cronin, good luck. (LC: Thank you very much.)

(Applause)

これから約15分かけてお伝えしたいのは いかにして物質に生命を 吹き込むかということです これはやや大それたことのようですが ご自身やご自身の手を ご覧になれば 生きていることが分かります さあ始めましょう この旅は40億年前の地球から始まります 有機的かつ生物学的な生命は 40億年前に登場しました 無機化学の専門家である 私の友人や同僚は分別しています 有機的な生きた世界と 無機的な死んだ世界を 私がお話ししたいのは 無機的な死んだ世界を 生きた世界に 無機生物へと変える いくつかの方法です

しかし まずは 生物学の話から始めましょう 私は生物学のとりこです 合成生物学が好きで 生きたものが好きです 生命の装置をいじるのが好きです しかし 生命の装置というのは まさに進化により 駆動していることを 忘れてはいけません また 進化は 100年以上も前に チャールズ・ダーウィンにより 確立しましたが 大勢の人にとって 依然として つかみどころのないものです ダーウィン進化論とは 一言で言うと 適者生存です ここでは 概念的に 進化を考えるのではなく 生存競争の末 生き残る者がいると言う意味での 進化を考えて見ましょう

このことを胸に 私は 化学者として 生物学で答えられていない ある問いに挑戦してみました ダーウィンの進化を起こすために 必要な物の最小単位は何か? これは極めて深遠な問いです 我々 化学者は日頃 深遠な問いには慣れていません この問題を考えてみて ふと気づきました 答えは生物学にあると そして 事実 独自に進化出来る 最小単位の物は 単一の細胞 すなわち 細菌なのです

ここから とても重要な疑問が 3つ生まれます 生命とは何か? 生物学は特別か? 生物学者はそう信じているようです 物質は進化できるか? これらの質問を逆の順番で答えると つまり 3つ目の問い 「物質は進化できるか」の 答えが分かったなら 生物学がどれだけ特別かが分かり そして あくまでも おそらくですが 生命が何たるかが 少しはわかることでしょう

ここに無機生命体があります これは死んだ結晶です これに手を加えると 生命が吹き込まれるのです そして 見ての通り 授粉、発芽、生育している感じになります この無機物は管になりました この顕微鏡下の結晶はすべて 数分前には死んでいたのに 生きているようです もちろん 生きてはいません これは私が化学実験で作った 結晶の庭です しかし これを目にしたとき 夢中になりました 生命体のように見えたからです 2、3秒間 画面の方に注目してください 構造物が育って 空間を埋めていっていますね そして これは死んでいるのです 私は確信しました 生命を真似たものを作れるのなら さらに一歩踏み出せると 生命を作れるか試してみようと

しかし 困ったことに 約10年前までは 生命体を作るのは不可能で 生命は宇宙で最も素晴らしい 奇跡だと言われていました 実際 我々は宇宙で唯一の ヒトなのです でも それじゃあ少しつまらないですよね ですので 私は化学者として 「少し待て! 本当に生命は作れないのか?」 と声を上げたかったのです そしてこれこそが 私の追求しているものなのです 私は 最初の細胞が誕生する確率は 星が誕生する確率と 同じぐらいだと思います さらに一歩踏み込んでみましょう 宇宙に融合の物理過程が あらかじめ組み込まれていたとしたら 生命の物理過程もそうでしょう 化学者の短所は ― 同時に大きな長所でもありますが ― 元素に着目したがることです 生物学では炭素が主役です そして炭素が存在する宇宙と 有機生物学では 素晴らしい生命の多様性がもたらされます 事実 遺伝子操作が可能な 素晴らしい生命体が存在します バイオハザードが起こらないよう 研究室では細心の注意を払っています

では 物質はどうでしょうか? もし物質に生命が宿れば 物質ハザードが起こるでしょうか? これは真剣な問題です 考えて下さいね もしペンが増殖できたら 困ったことになるでしょう 物質に生命を吹き込みたいなら 見方を変えなくてはいけませんし さっきのような課題もあります しかし 生命体を作る前に ちょっと考えて見ましょう 生命の特徴とは何かを この入り組んだ図を見て下さい これは細胞の反応経路の一覧です 私たちにとって細胞は間違いなく 素晴らしいものです 合成生物学者はこれらを操作します 化学者は病気の研究で 分子を調べます これらの反応経路は同時進行します 制御機構もあり 情報は転写され 触媒が作られ 色々と起こっています しかし 細胞は何をするのでしょう? 細胞は分裂し 競争し 生き残ります これこそが 生命について考える際の 原点となるのです

そして 他にどんな特徴があるでしょう? 私は 瓶の中の 炎を連想します ここに示したのは 単細胞についての記述です 単細胞は 増殖し 代謝し 化学反応によって燃焼します ですので 人工生命体を作ったり 生命の起源を知るためには エネルギーの供給源を 考える必要があります 生命を作るためには まず その起源について 考えなければいけません ダーウィンも同僚に宛てた手紙の中で 生命が誕生したのはおそらく どこかの暖かい池で ― スコットランドではなく アフリカか どこかだろう と述べています しかし 正直なところ 誰もその答えを知りません 生命の起源には問題があるからです 45億年前に遡って 化学物質に満たされた 巨大な池があるとします この物質から我々が生まれました

これから数分の話の中で 不可能に近いと感じることがあれば 思い出してください 我々は地球上の物質から生まれたのだと 我々は様々な世界を生き抜いてきました RNAの専門家は RNAの世界を語ることでしょう やがて タンパク質とDNAが生まれ 共有祖先へとつながります そして進化が起こり ― 一番面白い所です ― その結果 私たちがいます ところが 越えられない障壁があります 遺伝子を解読し 過去を遡って 皆をミトコンドリアDNAで 結びつけることは ― 可能ですが共通祖先 --DNAが読める最初の細胞 ― より前までは遡れません ここまでの道のりは謎なのです

二つ選択肢があります 一つはインテリジェント・デザイン 直接的もしくは間接的 神か宇宙人の仕業です ここでE.T.や他の生命体を持ち出すと 問題を遠くに置きなおすだけです 私は政治家ではなく科学者です 我々が考えなければいけないのは 化学的な複雑さの誕生です 最もありえそうですよね なので ある原始のスープがあり これがたまたま 20種もの アミノ酸のいい供給源でした そして何らかの形で このアミノ酸が組み合わさり 生命の誕生です しかし 「生命の誕生」とは何か? 生命とは何か? 生命の物質とは何か?

1950年代に ミラー・ユーレイは化学の フランケンシュタイン創造とも言える 素晴らしい実験を行いました 彼らは基本となる材料を反応容器に入れ これに点火し 高電流を流しました そしてスープの中身を調べたところ アミノ酸が作られていました しかし 細胞はありませんでした このため この分野の研究は 一時下火になりましたが 分析技術やコンピュータ技術の発達と共に 1980年代に再燃しました

私の研究室では 様々な反応様式で無機的生命体を 作ろうとしています 我々は1つのフラスコではなく 数十個のフラスコがつながる 循環システムの中で 反応を起こそうとしています これは3Dプリンターで流路を彫り 数滴分のわずかな流体だけで 行うことができます 大事なのは たくさんの複雑な 化学反応が 絶えず起こり続けることです しかし これはおそらく失敗に終わるでしょう もう少し集中しなくてはいけません

答えは もちろんM・I・C・Eにあります これは 化学から見て 必要となるものの覚えかたです 分子は必要でしょう しかし 代謝(Metabolism)も エネルギー(Energy)も必要です 情報(Information)も 容器(Container)も必要です 進化を起こすためには 互いに競合する容器が必要です 容器を手にするのは 車を手にするようなものです 「これが私の車だ ドライブして車を見せびらかそう」 細胞生物学でも生命の誕生について 似たような状況が あったと思います 多分 これらの組み合わせが 進化を起こします それを実験で証明するには 最小限に抑えなければいけません

ですので 我々が試みるのは 無機的な分子のレゴキットを作ることです 画面上の分子をご覧下さい これは非常に単純なキットで ブロックは3、4種類しかありません これらを組み合わせ まさに数百数千の DNAやタンパク質と同じ大きさの ナノ分子を つくることができます しかし 炭素は含みません 炭素を使うのは禁止です このレゴキットを用いれば DNAに頼らずに 複雑な情報を蓄積するのに必要な 多様性を作り出すことができます そして 容器も必要になりますが 私の研究室で つい2、3ヶ月前 これらの分子から 細胞が作り出されました 画面に写っているのは 細胞が誕生するところです そして 今度はこの中で 化学反応を起こそうとしています 私が本当に見せたいのは 細胞膜の中--本物の細胞の中に 分子を組み込むことができれば ある種の分子ダーウィン進化を 起こせるということです 分子の自然淘汰です

今お見せしている動画は 分子間の競争を示しています 分子たちは物質を巡り競争しています 彼らは全て同じ物質からできていますが 自分たちの形態が勝ち 生き残ろうとしているのです これが鍵となります 何らかの形で 分子が互いに応答し 正しい形を作って 競争するようにできれば 分子は細胞を形成し始め 細胞が増殖して競争することでしょう それが達成できるとしたら まず 分子についての 細かい話を脇に置いて

この話を大局的に考えてみましょう 現在 進化論は唯一 有機生物学の世界でだけ 成り立っています 物質の世界で進化を 起こすことができたなら もっと広義な進化論が提唱できます これはまさに一考の価値があります 宇宙にある物質の調和は 進化によりコントロール されているのでしょうか? 物質の競争を促すような力が 進化によって 働いているのでしょうか? それが出来れば 物質の進化を 探究するための新しい基盤の 開発を始められるでしょう もし自給自足できる 人工生命体を作り出すことができたなら 生命の起源について分かるだけではなく 炭素は生命に必須ではなく なんでも使うことが出来る ということが分かります さらに踏み込めば ソフトウェアに 進化を組み込んで 新技術を開発できます

小さな細胞を作ったとして これを環境中に出し 太陽の ― エネルギーを利用させたいとします 我々はそれを 電灯で照らした箱の中で進化させ 設計の力は借りずに 何が上手くいくかが分かります 生物学からのインスピレーションです 生物学では 生き残ることが出来れば 設計は重要ではありません なので物質の進化は 今後 設計手法を変えるでしょう そればかりではなく 生物学と共生する道を 模索し始めることになるでしょう 人工細胞と 本物の細胞とを融合し これまで 解決策がなかった難問を 解決できれば素晴らしいですよね 細胞生物学における大きな課題は 進化によって問題が多面化しているため 決してすべてを解明できないということです 進化はバラバラに分けて 考えることはできません 適者生存関数をどうにかして 見つけなければいけません 私が強く認識しているのは もしこれが本当に実現すれば 利己的な遺伝子という概念は 利己的な物質という 新たな概念へと発展するでしょう

私たちが最も進化した存在である この宇宙でこれは何を 意味するのでしょう? 皆さんは椅子に座っています 椅子は生物ではなく 動きません ですが 皆さんは物質から成り立ち 物質を利用し 意のままにしています 生物学や有機生物学で 進化を用いることは 私にとって とても魅力的で ワクワクさせてくれます 死んでいる物質に生命を吹き込むのに 重要な段階が 今まさにわかりかけています 繰り返しになりますが これは不可能だと思うのであれば 50億年前 人類はおらず 生命も存在していなかったことを 思い出してください このことから生命の起源と

生命の意味について 何がわかるでしょう? 化学者ですからこの際 一般的な話は止めて 具体的な話をしましょう これが生命の定義にどう影響するか? 生命の定義は難問です ですが物質を進化させ 無機生物学という分野を 切り開くことが出来れば それにより生命が定義できます 私は提言します 進化する物質は生きていると ですから進化する物質は 創ることが出来るのです

ありがとうございました

(拍手)

Chris Anderson(クリス): 時期について 一つ教えてください この研究は成功するとお考えですか? それはいつでしょうか?

Lee Cronin (リー): 多くの人の考えでは 生命は 数百万年がかりで誕生しています 我々は適切な化学反応さえ起これば これは2-3時間で起こると 考えています

クリス: それはいつになるでしょうか?

リー: できれば2年以内を目指しています

クリス: それはとてつもない話ですね (笑) 炭素を含まない生命が 別の惑星に存在する 可能性はどれぐらいあると お考えですか?

リー: 私は100%だと思います 私たちは生物学を熱狂的に 信奉しすぎです 炭素を除けば 別のことが起きます 別の事 つまり 炭素に依存しない生命が出来れば NASAに何を探すべきが提言できます 炭素ではなく 進化する物質を追い求めるべきです

クリス: ご成功をお祈りしています (リー: ありがとうございます)

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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